2.5. S IMULAÇÃO ENERGÉTICA DE COBERTURAS VERDES
2.5.1. Consumo energético
Muitos estudos têm sido realizados na última década sobre o potencial benefício energético das coberturas verdes, revelando que podem oferecer reduções no consumo de energia tanto no verão como no inverno. De seguida apresenta-se uma análise de cada ponto apresentando na Tabela 2.3, relativo ao consumo energético.
Programas computacionais e modelos de coberturas verdes:
Os quatro primeiros estudos apresentados na Tabela 2.3 são estudos que utilizaram modelos simples que, maioritariamente, modelaram a cobertura verde como um acréscimo do coeficiente de condutibilidade térmica (U) e do albedo tentando simular os efeitos da evapotranspiração e do sombreamento utilizando vários programas computacionais. Os restantes estudos utilizam modelos de coberturas verdes mais detalhados e mais recentes nos programas computacionais TRNSYS (assinalados pela cor cinzenta clara) e EnergyPlus (assinalados pela cor cinzento escuro). Refira-se ao estudo realizado por Niachou et al. (2001), que apesar de utilizar o programa de simulação TRNSYS, o modelo utilizado foi relativamente simples, por ser um estudo relativamente antigo.
Validação:
A validação não é um estudo usual neste tipo de estudos devido à falta de dados e/ou da impossibilidade de realizar medições, e como se verifica pela Tabela 2.3, apenas os estudos de Sailor (2008) e Ouldboukhitine, Belarbi e Sailor (2014) incluíram esta análise. A validação consiste numa análise da diferença de temperaturas entre os resultados do modelo e as medições experimentais, de forma a avaliar a sua qualidade.
Segundo Chan e Chow (2013), a comparação entre os valores de simulação e os medidos experimentalmente podem ser realizadas com base em dois parâmetros (equação (2.1) e (2.2)). Sailor (2008) e Ouldboukhitine, Belarbi e Sailor (2014), utilizaram estes parâmetros que pretendem quantificar a diferença entre os resultados da simulação (sim.) e os experimentais (exp.).
(2.1)
(2.2)
O primeiro parâmetro, MBE (mean bias error), refere-se à média das diferenças entre os valores de simulação e experimentais, enquanto o parâmetro RMSE (root-mean-quare error) representa o desvio médio dos valores de simulação relativamente aos experimentais.
Nos dois estudos, da Tabela 2.3, que incluíram a validação do modelo, apenas foi utilizado a temperatura da superfície do solo da cobertura verde como comparação, apresentando valores de MBE entre 1 e 2,9ºC, e RMSE de 4,1ºC. Segundo Sailor (2008) esta variação é aceitável devido ao modelo não ser otimizado, por não ser apropriado numa validação, mas que se fosse realizado esta otimização, esta diferença seria reduzida. Moody e Sailor (2013), não incluídos na tabela resumo, também estudaram as diferenças de temperaturas do solo, utilizando o modelo de Sailor (2008), e obtiveram
23 uma diferença média (MBE) de 1ºC, demonstrando a qualidade deste modelo. Sailor (2008) acrescenta ainda que o fato do modelo de Sailor (2008) ter a capacidade de refletir as variações que existem durante o dia e durante as diferentes estações, proporciona uma confiança suficiente no uso deste modelo.
Como se pode verificar pela tabela resumo, o modelo de Sailor (2008), que está implementado no EnergyPlus, também serve como base para modelos utilizados no TRNSYS. Os autores que utilizaram este modelo como base ou no EnergyPlus, presentes nas tabelas resumo, e outros autores como Castleton et al. (2010), Ouldboukhitine et al. (2011), Moody e Sailor (2013) e Chan e Chow (2013) sugerem a sua utilização por representar com qualidade uma cobertura verde.
Estação de aquecimento:
Na estação de aquecimento as poupanças de energia variam entre 0 e 48%, utilizando uma cobertura verde relativamente à utilização de uma cobertura convencional. O nível de isolamento que o substrato proporciona (espessura e condutibilidade térmica) em conjunto com outro material de isolamento térmico tem uma elevada influência na poupança de energia, sendo que todas as comparações são realizadas com o mesmo nível de isolamento. A maior poupança energética é obtida por Jaffal, Ouldboukhitine e Belarbi (2012),de 48%, sem isolamento térmico, e aumentando o nível de isolamento, a poupança de energia diminui pelo fato da qualidade térmica da cobertura convencional ser superior, sendo reduzida até 0%, para um nível de isolamento elevado. Esta conclusão é coerente com os estudos de Kotsiris et al. (2012), Zinzi e Agnoli (2012) e Niachou et al. (2001) de onde se verifica um aumento da poupança de energia na estação de aquecimento com a diminuição do nível de isolamento. Assim, estes autores referem o importante impacto que as coberturas verdes podem apresentar em edifícios sem isolamento térmico, sugerindo uma mais valia para edifícios antigos.
Para um mesmo nível de isolamento térmico, Kotsiris et al. (2012) variou o tipo de substrato com diferentes níveis de condutibilidade térmica, sendo, por ordem decrescente de condutibilidade térmica: 8cm terra arenosa; 20cm terra arenosa; 8cm lã-rocha. Concluíram que para um nível de isolamento fixo da cobertura convencional e com a diminuição da condutibilidade térmica da cobertura verde através do substrato, as poupanças de energia são maiores. Sailor (2008) variou a espessura do solo, mantendo o mesmo nível de isolamento para a cobertura convencional, chegando à mesma conclusão. Ainda na estação de aquecimento, a variação das plantas não apresenta uma grande influência como se pode observar pelo estudo realizado por Ascione et al. (2013), que variou o parâmetro LAI (Leaf Area Index). Este parâmetro representa a fração de área de folhas relativamente à área do solo, ou seja a densidade da vegetação. A poupança de energia de 6% está relacionada com a utilização de plantas menos densas (LAI menor) enquanto a poupança de 5% está relacionada com plantas mais densas (LAI maior). Sailor (2008) também estudou a influência do tipo de vegetação, variando o mesmo parâmetro (LAI), chegando à mesma conclusão, sugerindo que para menores valores de LAI a cobertura verde está menos protegida resultando numa maior exposição à radiação solar e o aumento do fluxo de calor absorvido pela cobertura, diminuindo assim os consumos energéticos.
Apesar de um valor de LAI superior ser desfavorável para os consumos de energia relativamente a valores de LAI inferiores, existe sempre uma poupança energética em relação a uma cobertura convencional. Segundo Sailor (2008), esta poupança deve-se à capacidade de estabilização das temperaturas do conjunto solo-planta, apesar de estar mais protegido do ambiente exterior.
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Estação de arrefecimento:
Na estação de arrefecimento a variação da poupança de energia varia entre -1% e 45%. A maior poupança é observada para níveis de isolamento menores como se verifica no estudo de Niachou et al. (2001). Jaffal, Ouldboukhitine e Belarbi (2012) e Ouldboukhitine, Belarbi e Sailor (2014) atingiram valores de poupança de 100 e 95%, respetivamente, mas sendo as necessidades de arrefecimento quase nulas não foi considerado relevante.
Jaffal, Ouldboukhitine e Belarbi (2012) estudaram o comportamento da cobertura verde para vários níveis de isolamento e concluíram que, ao contrário da estação de aquecimento, a poupança de energia diminui não só pela melhoria da qualidade térmica da cobertura convencional mas também pelo fato do aumento do consumo de energia, o que na estação de aquecimento é sempre decrescente. Esta conclusão está de acordo com o estudo de Lazzarin, Castellotti e busato (2005) que concluíram que a cobertura verde “retira” calor de dentro do edifício na estação de arrefecimento devido à evapotranspiração do conjunto solo-planta, funcionando como uma sistema de arrefecimento passivo. Assim, com um isolamento térmico extra, além da inércia térmica do solo ter um menor contributo, a cobertura verde tem maior dificuldade em “retirar” calor do edifício. Kotsiris et al. (2012) também salientaram a importância da evapotranspiração no consumo energético na estação de arrefecimento. Deste modo, também se verifica uma maior vantagem na utilização destas coberturas em edifícios sem isolamento térmico.
Ascione et al. (2013) estudaram o efeito do tipo de vegetação na poupança de energia na estação de arrefecimento, e concluíram que para uma vegetação mais densa e mais alta, as poupanças são superiores. O tipo de vegetação tem uma influência considerável, variando entre -1 a 11 % na poupança de energia. Kotsiris et al. (2012) também estudaram a influência do tipo de vegetação, concluindo que para um substrato com maior condutibilidade térmica mas com plantas mais densas (20cm terra arenosa) apresenta um melhor comportamento do que para um substrato com menor condutibilidade térmica (8cm lã-rocha) e plantas mais baixas e menos densas. Sailor (2008) estudou esta influência variando o parâmetro LAI e concluiu que para valores mais altos (vegetação mais densa) o consumo é menor, e em termos anuais, a poupança na estação de arrefecimento com valores de LAI altos prevalece sempre relativamente ao consumo de energia acrescido na estação de aquecimento. Estas conclusões reforçam a ideia da importância da evapotranspiração do conjunto solo-planta para a diminuição do consumo de energia. De referir também o aumento da área de cobertura protegida pelo aumento da densidade das plantas. Wong et al. (2003) também obteve a mesma conclusão.
Localização:
Outro fator que influencia o desempenho térmico das coberturas verdes é a localização. Sailor (2008) estudou as poupanças energéticas para dois locais com climas diferentes, Houston e Chicago nos EUA. Chicago, sendo o local mais frio, obtém-se consumos energéticos na estação de aquecimento maiores do que em Houston, porém foi sentida uma poupança superior em Houston como se pode verificar pela Tabela 2.3. Sailor (2008) salientou ainda a diferença do consumo de energia na estação de aquecimento em Houston, de 86 GJ e em Chicago, de 429 GJ, o que evidencia uma poupança significativa em Chicago (39 GJ), contrariamente à poupança menos relevante de Houston (9 GJ), apesar da percentagem de poupança inferior.
Também Zinzi e Agnoli (2012) estudaram a poupança energética para três locais diferentes, representando um local caraterizado por temperaturas maioritariamente altas e um nível reduzido de precipitação (Cairo), um local com temperaturas baixas e um nível de precipitação mais elevado (Barcelona) e um local ameno com caraterísticas intermédias (Palermo). Concluíram uma maior poupança na estação de arrefecimento em Barcelona devido ao consumo de energia reduzido nesta
25 estação. Na estação de aquecimento a maior poupança foi registada em Palermo e em termos anuais Barcelona foi a que obteve uma percentagem de poupança superior, sugerindo a sua vantagem em climas maioritariamente frios.
Ascione et al. (2013) estudou para 6 cidades europeias a influência das coberturas verdes, apesar de na tabela resumo apenas ser referido a cidade com maiores necessidades de arrefecimento (Tenerife) e a cidade com maiores necessidades de aquecimento (Oslo). Verifica-se uma redução na estação de aquecimento apenas em Oslo devido ao consumo quase inexistente de energia em Tenerife, nesta estação. Na estação de arrefecimento as poupanças são similares, contudo a mesma conclusão de Sailor (2008) foi referida por estes autores. O consumo de energia na estação de arrefecimento em Tenerife é cerca de 5 vezes superior ao consumo de energia de Oslo significando uma considerável poupança de energia, contrariamente à poupança de Oslo, que não é refletido pela percentagem de poupança.
Castleton et al. (2010), que realizou um estudo bibliográfico sobre esta matéria, refere que a maioria dos estudos remetem para um melhor desempenho energético em climas mais frios, que é confirmado pelos estudos de Zinzi e Agnoli (2012), Sailor (2008) e Ascione et al. (2013).
Outros estudos:
Outro estudo, que não se apresenta na Tabela 2.3, é a comparação dos consumos e poupanças de energia das coberturas verdes com coberturas com albedos elevados, como é o caso das coberturas pintadas ou com revestimentos claros. Saiz et al (2006) e, Zinzi e Agnoli (2012) estudaram este fato e concluíram que para locais mais quentes a refletância elevada que as coberturas claras apresentam, resultam numa poupança superior, atingindo poupanças de 30% na estação de arrefecimento em Palermo e Cairo. Na estação de aquecimento estas coberturas revelam não serem tão eficazes devido ao não aproveitamento da radiação solar.
Por fim, refira-se ao estudo económico realizado por Ascione et al. (2013) onde incluiu, às poupanças de energia por parte da cobertura verde relativamente à cobertura convencional, os custos relacionados com a rega (consumo de água) e do investimento inicial. Realizaram o estudo para 6 cidades europeias e concluíram que apenas em Oslo (localidade mais fria) existem vantagens económicas em investir numa cobertura verde, apesar do período de retorno ser de cerca de 143 anos. Segundo Ascione et al. (2013), para as zonas mais a Sul e mais quentes, a solução de coberturas verdes nunca terá retorno financeiro quando apenas se considera a poupança de energia. Estes autores ainda estudaram os benefícios fiscais e incentivos financeiros dos governos e concluíram que, por exemplo, em Tenerife (Espanha), o período de retorno passaria a ser de 20 anos.